基于旋轉電機專家模塊RMxprt的電機學課程教學探討

夏永洪 陳 瑛 肖倩華 楊 莉

南昌大學信息工程學院 江西南昌 330031

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基于旋轉電機專家模塊RMxprt的電機學課程教學探討

夏永洪 陳 瑛 肖倩華 楊 莉

南昌大學信息工程學院 江西南昌 330031

摘 要：為了更好地講授電機學課程，利用計算機輔助軟件是教師進行教學的一種常用而又行之有效的教學手段。針對Ansoft軟件的旋轉電機專家模塊RMxprt在電機學課程中的輔助教學進行探討，闡述了RMxprt模塊的建模方法，以同步電機為例，直觀地展示了電機結構、繞組排列、氣隙磁密、磁場分布、電動勢波形以及繞組電流波形，為學生更好地學習和掌握同步電機起到了良好的輔助教學作用。

關鍵詞：電機學；RMxprt；教學探討

電機學課程是電氣工程及其自動化專業的一門重要課程，同時也是大多數學生認為難度較大的一門課程。為了講授好該課程，使學生更好地掌握電機學的相關知識，許多授課教師結合本課程的特點，在學時安排、教學內容、教學方法和教學手段等多方面均進行了有益的探索［1-4］，其中采用計算機仿真軟件輔助教學就是一種常用的教學手段［5-7］。

由于電機的結構復雜，且電機內的電磁場是時間和空間相互作用的耦合場，所以利用傳統的教學手段難以表述清晰，學生在學習中會感覺抽象、困難。為此，本文將結合筆者多年的教學體會和科研工作中常用的Ansoft軟件，將該軟件中的旋轉電機專家模塊RMxprt應用于電機學課程的輔助教學。以同步電機為例，結合該模塊的建模方法，直觀展示了同步電機沖片的二維結構、繞組聯接、氣隙磁密的空間分布，以及導體和線匝的感應電動勢波形等，同時，將RMxprt模塊建立的模型導入到Maxwell 2D中，對電機進行有限元分析，可以得到電機的磁場分布，以及三相對稱繞組的感應電動勢波形。因此，計算機軟件在電機學課程輔助教學中的應用，有助于學生對電機學知識的理解和認識。

1 RMxprt模塊的建模方法

旋轉電機專家模塊RMxprt是基于等效電路和磁路的思想對電機進行計算和分析，該模塊不僅包含了三相異步電動機、三相凸極和隱極同步電機和普通直流電機等電機學課程中的三大旋轉電機，而且還包含了單相異步電動機、永磁無刷直流電機、變頻永磁同步電機、自起動永磁同步電動機、普通永磁直流電動機、開關磁阻電動機、串極整流子電動機以及爪極發電機等一些特種電機（如圖1所示）。

以三相同步電機為例（如圖2所示），利用RMxprt模塊的建模方法可分為3個步驟：（1）定子的建模：包括定子沖片的內徑和外徑尺寸、鐵芯長度、硅鋼片型號、定子槽數、槽型及其尺寸，以及電樞繞組參數（單雙層設置、繞組形式、并聯支路數、每槽導體數、線圈節距和線規等）；（2）轉子的建模：包括轉子沖片的內徑和外徑尺寸、鐵芯長度、硅鋼片型號，以及勵磁繞組參數（繞組形式、并聯支路數、每極導體數和線規等）；（3）轉軸的建模：主要是設置轉軸的導磁性能。

圖1 RMxprt模塊包含的電機類型

圖2 模型管理窗口

基于建立的仿真模型，可以對該電機的性能進行計算和分析。

2 基于RMxprt的同步電機輔助教學

下面針對基于旋轉電機專家模塊RMxprt的同步電機結構、交流繞組、氣隙磁場以及感應電動勢的輔助教學進行詳細討論。

2.1 同步電機結構

根據同步電機的參數，按照RMxprt模塊的建模方法，可以建立凸極同步電機的二維模型（如圖3所示）。在定子沖片建模的過程中，可以向學生講授定子沖片開槽的目的以及定子槽型的種類。

圖3 凸極同步二維模型

在轉子建模的過程中，可以讓學生更容易了解凸極同步電機磁極極靴和極身等結構，以及勵磁繞組作用及其布置（如圖4所示）。

圖4 轉子磁極結構及勵磁繞組的布置

2.2 同步電機交流繞組

同步電機的交流繞組是電機學課程中非常重要的內容，同時也是難點內容。利用該模塊可以非常直觀地介紹交流繞組的基本概念、交流繞組的構成原則及其排列方式。圖5～圖7分別形象地展示了導體的分布情況、單層繞組的聯接情況、60°相帶和120°相帶的雙層繞組的聯接情況。

圖5 導體在定子槽中的分布情況

圖6 單層繞組聯接示意圖

圖7 雙層整距繞組聯接示意圖

根據這些交流繞組聯接圖，同時改變繞組參數，教師可以詳細地介紹線匝、線圈組和相繞組的基本概念，以及三相對稱繞組的構成原則、單層繞組和雙層繞組區別、60°相帶和120°相帶的定義及其區別，以及繞組的短距和分布因數，便于學生對交流繞組的理解，同時激發學生的學習興趣。

2.3 同步電機氣隙磁場及感應電動勢

在掌握了同步電機的基本結構、交流繞組的基本概念，以及勵磁繞組的作用基礎上，學生更容易接受同步電機氣隙磁場、導體感應電動勢、線匝感應電動勢，以及繞組電動勢等內容。因此，在建立了同步電機模型之后，采用RMxprt模塊進行計算，可以得到空載氣隙磁場的空間分布、導體和線匝感應電動勢波形，分別如圖8和圖9所示。

圖8 空載時氣隙磁場的空間分布

圖9 空載時導體和線匝的感應電動勢波形

通過圖8和圖9的對比，可以更清晰地講述導體和線匝電動勢波形與氣隙磁場空間分布波形相同的原因、導體電動勢和線匝電動勢之間的數量關系，以及氣隙磁場非正弦的原因。同時，將非正弦的氣隙磁場展開成基波和奇數次諧波，分別講述電樞繞組基波電動勢和諧波電動勢的計算方法，分析基波磁場和諧波磁場的轉速、極對數和極距之間的關系。

圖10是負載時氣隙磁場的空間分布，通過與圖8的比較，學生更容易理解電樞反應的概念及其性質。

圖10 負載時氣隙磁場的空間分布

3 RMxprt在Maxwell2D中的應用

基于RMxprt模塊建立的模型，可以導入到Ansoft軟件的Maxwell 2D 中進行有限元分析，得到電機的磁場分布，以及三相對稱繞組的電動勢和電流波形。如圖11和圖12所示分別給出了電機的磁力線分布和電樞繞組電流波形，從而使學生更容易理解磁通在磁路中的流通路徑、氣隙磁場的產生機理，以及三相交流繞組的布置與三相電流之間的內在聯系。另外，還可以得出轉子旋轉至不同位置下，同步電機空載和負載時的磁力線分布，學生可以直觀地了解定轉子相對位置變化時氣隙合成磁場的變化情況。

圖 11 電機的磁力線分布圖

圖12 三相電樞繞組電流波形

在課堂教學過程中，可以在多媒體課件里加入上述相關內容的鏈接或動畫，給學生動態地展示各種分析過程和分析結果，以培養學生的形象思維和創新能力。因此，計算機軟件在電機學課程輔助教學中的應用，可以將抽象的問題具體化，難懂的問題形象化，便于學生的掌握和理解。

4 結束語

采用計算機軟件是一種常用而又行之有效的教學手段。本文針對Ansoft軟件的旋轉電機專家模塊RMxprt在電機學課程中的輔助教學進行了探討，基于RMxprt模塊，可以直觀展示電機結構、繞組布置，以及氣隙磁密和電動勢波形等，從而將抽象的問題具體化，難懂的問題形象化，便于學生對電機學問題的理解和認識，同時激發學生的學習興趣和熱情。

參考文獻

［1］田俊梅，王國枝，趙興勇，呂高.“電機學” 課程教學方法與評價體系研究［J］.電氣電子教學學報， 2013，35（6）:18-19.

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［7］張建輝，許瑩瑩.Simulink仿真軟件輔助電機學教學的探索［J］.江漢大學學報:自然科學版，2010，38（1）:63-66.

［8］孫旭東，王善銘.電機學［M］.北京:清華大學出版社，2006.

Teaching Discussion of Electric Machinery Based on Rotating Machine Experts RMxprt

Xia Yonghong， Chen Ying， Xiao Qianhua， Yang Li
School of Information Engineering， Nanchang University， Nanchang， 330031， China

Abstract:In order to teach the course of electric machinery better， using the computer aided software is a kind of common and effective teaching methods. The rotating machine experts RMxprt of Ansoft software is applied for the aided teaching of the electric machinery course，and the modeling method is described. For the synchronous machine， the machine structure， winding layout， air gap fux density， magnetic feld distribution， EMF waveform and armature winding current waveform are displayed clearly， which play a good auxiliary teaching role to learn and master the synchronous machine better for the students.

Key words:electric machinery； RMxprt； teaching discussion

收稿日期：2015-11-13

作者簡介：夏永洪，博士，副教授。

基金項目：南昌大學教改課題（編號：NCUJGLX-14-1-101）。